JP5083729B2 - 熱間ブロー成形用成形材 - Google Patents

Description

本願発明は、例えば、自動車等のボディシートインナー材とレインフォース、又はインナー材とアウター材等のように内部に中空部を形成する中空一体成形品の熱間ブロー成形による製造において使用する成形材に関する。

例えば自動車等のボディシートインナー材やアウター材等は剛性を確保するために、別工程で作製したレインフォースやインナー材等を内部に中空部を形成するように接合して中空一体成形品としている。ところが、前記ボディシートインナー材やアウター材パネル材に対して接合するレインフォースやインナー材を別工程で作製することは複数の作業工程と金型が必要となる上、更に両者を成形した後の接合は部材の変形や損傷の防止等の面から取り扱いが煩雑であり作業性が低下するため、製造コストの上昇を招来するものである。

そのため、予め成形材を、３枚の超塑性金属板を積層して、各超塑性金属板の周縁部間を接合して接合部を形成し、かつ内部においては、一方の外面側の超塑性金属板と中間の超塑性金属板との間の溶融溶接による接合部及び非接合部と、他方の外面側の超塑性金属板と中間の超塑性金属板との間との圧着による接合部および非接合部とが互い違いに位置するようにして３層構造の積層板とし、該積層板を上金型及び下金型との間に配置して超塑性温度域まで加熱した上で、加圧気体を非接合部内に導入して非接合部内の空間を膨張させるとともに、前記上金型及び下金型によってブロー成形と同時に内部に中空部を形成してなる中空一体成形品の製造が提案されている（特許文献１参照）。その結果、中空一体成形品の製造において、部材の変形や損傷の防止等の面から取り扱いが煩雑となり作業性が低下する部材成形後の接合工程を省略することができるものとなる。

しかしながら、上記中空一体成形品の製造においては、上金型及び下金型の複数の金型が必要であるので製造コストの上昇を避けることはできない。そして、積層板を構成する超塑性金属板間で接合部を圧着により形成するものであるが接合部の強度が低いため、ブロー成形に際して容易に破断が起こりうるものである。そのため、接合部の形成に溶融接合を用いても、接合部での強度は向上するが、接合部では溶融接合時の熱により変形が生じ易く、新たに接合部の変形を修正する作業工程が必要となる。そこで、該接合部の形成に摩擦撹拌接合を用いることも考えられるが、超塑性金属板は薄いので接合部ではキッシングボンドが発生し易く確実に接合できないことがあり、熱間ブロー成形中に接合部での破断が発生するおそれがある。そして、接合部ではばりが発生し易く、接合部の表面を平滑にする必要もある。
特開２０００−３３４３１号公報

本願発明は、熱間ブロー成形により中空一体成形品を製造する際に、成形をメス型金型だけで行い、平滑な接合部の形成とともに、メス型金型による成形と同時に接合部の強度を確保してその内部に中空部を確実に形成できるようにする。

上記課題を解決するため、オス型金型より内部に吸入した高圧ガスを超塑性温度域まで加熱した成形材に吹き付け、高圧ガスの圧力で該成形材を挟んでオス型金型側の反対に配置するメス型金型に押し付けて成形する熱間ブロー成形において使用するものであって、
本願発明は、第１の特徴として、熱間ブロー成形用成形材を、複数の超塑性金属板を積層し、内部に密閉した非接合部を形成するように周縁部を封止した上で、積層する超塑性金属板同士を摩擦撹拌接合により一体に線接合して形成する接合部によって非接合部を区画するとともに、一面側の超塑性金属板に、接合部により区画された各々の非接合部内に連通する孔を穿設するものである。

そのため、熱間ブロー成形用成形材の一面側の超塑性金属板に向かって高圧ガスを吹き付けることで、成形材は高圧ガスの圧力によりメス型金型側に変形し、メス型金型に押し付けられて成形されるものである。従って、本願発明の熱間ブロー成形用成形材の成形にはオス型金型は不要となる。そして、該熱間ブロー成形用成形材のメス型金型による成形と同時に、成形材内部に形成される各々の非接合部内に連通する一面側の超塑性金属板に穿設された孔から強固に接合されている接合部により区画されている非接合部内に高圧ガスが吹き込み、この高圧ガスの圧力により非接合部は膨張するので、該超塑性金属板はメス金型側とは反対に膨出して中空部を形成するものとなる。
なお、本願発明の熱間ブロー成形用成形材の超塑性金属板の超塑性金属としては、超塑性特性を示すチタン合金系、又はステンレス鋼系合金の他、Ａｌ合金、例えばＡｌ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｌｉ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ系等が挙げられ、特に超塑性金属としてＡｌ合金を用いる場合には、ＪＩＳ ５０８３アルミニウム合金板が好ましいものである。
また、内部に吸入される高圧ガスは、熱間ブロー成形用成形材の変質や火災を防止するため、例えばアルゴンや窒素等の不活性ガスが好ましいものである。

更に、上記第１の特徴を踏まえて第２の特徴は、上記一面側の超塑性金属板に穿設する孔の総断面積に対する熱間ブロー成形に使用されるメス型金型の開口部の面積比を２０以上、１０００００以下とするものである。

そのため、高圧ガスを熱間ブロー成形用成形材に吹き付けると、高圧ガスは該熱間ブロー成形用成形材をメス型金型側に変形させるとともに、メス型金型に押し付けて成形する。これと同時に、高圧ガスは、熱間ブロー成形用成形材を構成する一面側の超塑性金属板に穿設する孔から熱間ブロー成形用成形材内部の非接合部に円滑に吹き込んで、非接合部を膨張させるので、該超塑性金属板は膨出して中空部を一体に形成するものとなる。
ここで、各々の非接合部に連通する孔の総断面積に対するメス型金型の開口部の面積が２０未満であると、孔の総断面積がメス金型開口部の面積、即ちメス金型により変形する他面側の超塑性金属板部分に対して大きくなるので、孔を穿設するためのコストが上昇するものとなる。また、各々の非接合部に連通する孔の断面積に対するメス型金型の開口部の面積が１０００００より大であると、孔の総断面積がメス金型開口部の面積、即ちメス金型により変形する他面側の超塑性金属板部分に対して非常に小さくなるので、高圧ガスは孔より成形材内の非接合部に円滑に吹き込むことができず、熱間ブロー成形用成形材内の非接合部は膨張することなく中空部を形成せずに該熱間ブロー成形用成形材全体がメス金型に押し付けられて成形されるものとなる。そこで、各々の非接合部に連通する孔の総断面積に対するメス型金型の開口部の面積比は１００以上５００００以下とすることが好ましいものである。

そして、上記第１及び２の特徴を踏まえて第３の特徴は、上記超塑性金属板の非接合部を区画する接合部を形成する摩擦撹拌接合において、ツールの回転数（ｒｐｍ）／ツールの送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ．）の値を３．５以上５０以下とするものである。

そのため、摩擦撹拌接合により形成される接合部は、ツールの回転数（ｒｐｍ）／ツールの送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ．）の値を３．５以上５０以下とすることで、ばり等が発生することなく平滑な表面を形成するとともに、接合部内部ではキッシングボンドの発生は抑制され、熱間ブロー成形用成形材を構成する積層した超塑性金属板同士を強固に接合することができる。
ここで、前記ツールの回転数（ｒｐｍ）／ツールの送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ．）の値が３．５未満であると、摩擦撹拌接合に際しての撹拌量が少なく、酸化被膜を十分に分断することができないためキッシングボンドが発生し易く、ブロー成形中に圧力が掛かると破断を起こすおそれがある。また前記ツールの回転数（ｒｐｍ）／ツールの送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ．）の値が５０より大となると、接合部にばりが生じ易く、このばり除去のために作業性が低下するおそれがある。そこで、前記ツールの回転数（ｒｐｍ）／ツールの送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ．）の値は５以上３０以下とすることが好ましいものである。

本願発明の熱間ブロー成形用成形材により、一つのメス型金型で成形が可能になるともに、この成形と同時に内部に確実に中空部を形成することができるので、作業性を向上させながら中空一体成形品の製造コストを低減させることができる優れた効果を有するものである。

以下において、本願発明の実施例について説明する。
なお、この実施例は、本願発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これにより本願発明が制限されるものでない。

まず、図１に示す１は本願発明の後述する熱間ブロー成形用成形材６（以下、「成形材６」とする。）を後述する中空一体成形品１３に成形する熱間ブロー成形機であり、該熱間ブロー成形機１は、外部より供給された高圧不活性ガスを後述の成形材５に対して吹き付ける吹出口３を有するオス型金型２と、高圧不活性ガスにより押し付けられた成形材６の成形を行う断面台形形状のメス型金型４から構成される。そのため、成形材６を成形するにあたっては、前記オス型金型２とメス型金型３との間に成形材６を挟持して加熱した上で、オス型金型２より内部に供給された高圧不活性ガスを吹出口３から成形材６に吹き付け、その圧力で該成形材６を変形させてメス型金型４の開口部５を通してメス型金型４に押し付けて成形を行うものである。なお、該オス型金型２及びメス型金型４のいずれにおいても成形材６を超塑性温度域まで加熱できるようにヒーター（図示せず）を内蔵するものである。その上、本願発明の成形材６はメス型金型４によってのみ成形されるので、熱間ブロー成形機１を構成するオス型金型２は成形材６の成形に必要とされない。

また、図２に示すのは、本願発明の成形材５である。この成形材６は、二枚の超塑性金属板７、８を積層し（以下、オス型金型２側を上、メス型金型４側を下とし、そのため二枚の超塑性金属板７、８のうち、オス型金型２側の超塑性金属板７を「上板７」、メス型金型４側の超塑性金属板８を「下板８」とする。）、内部に密閉した非接合部９を形成するように周縁部１０を、例えば変形させることで圧着し封止してなるものである。その上、積層する上板７と下板８とを摩擦撹拌接合により一体に線接合して形成する接合部１１により非接合部９を区画するとともに、上板７に、前記接合部１１によって区画された各々の非接合部９内に連通する孔１２を穿設してなるものである。

そして、図３において示す１３は、本願発明の成形材６を熱間ブロー成形機１によって熱間ブロー成形することによって製造される中空一体成形品である。該中空一体成形品１３は、高圧不活性ガスにより成形材６がメス金型４に押し付けられることで断面台形形状に成形される同時に、上板７に穿設された孔１２を通して上板７と下板８との間に形成された非接合部９に吹き込む前記高圧不活性ガスの圧力で各々膨張し、上板７は下板８と接合部１１を介して固定されたまま膨出して断面波状の中空部１４を形成するものである。

そこで、本願発明の成形材６について、その効果を確認するために熱間ブロー成形による中空一体成形品１３を製造する試験を行った。
まず、本願発明の成形材６には、上板７として板厚２ｍｍのＪＩＳ ５０８３−Ｈ１８のアルミニウム合金板を、下板８として板厚１ｍｍのＪＩＳ ５０８３−Ｈ１８のアルミニウム合金板を各々４００ｍｍ角に切断して使用した。そして、積層した上板７と下板８との周縁部１０を変形させることで圧着して封止した上で、上板７と下板８との間に非接合部９を形成し、該非接合部９を区画する接合部１１を摩擦撹拌接合により形成した。この摩擦撹拌接合は、使用するツールのピンの高さが２．４（ｍｍ）であり、ツールの回転数を３５０〜３０００（ｒｐｍ）、ツールの送り速度を４０〜５００（ｍｍ／ｍｉｎ．）とし、条件を適宜変化させながら行った。更に、上板７においては、該接合部１１により区画された非接合部９内に連通する直径１〜８０（ｍｍ）の孔１２を穿設して成形材６とした。そこで、前記成形材６について、深さが３０ｍｍ、その開口部４の縦×横が３００×３００ｍｍの断面台形形状のメス型金型３を用い、メス型金型３の温度を５００℃、高圧不活性ガスのガス圧を１ＭＰａ、及び成形時間１０分間という条件下、熱間ブロー成形機１内で熱間ブロー成形を行い中空一体成形品１３の製造を行った。
その結果、表１の実施例１乃至１３で示すように、製造された中空一体成形品１３は、ばりの発生はなく完全に成形されており、その内部はブロー成形に際して接合部１０が破断することなく中空部１３が形成されていた。以上より、本願発明の効果は確認された。

一方、比較例では、表１で示すように、成形材６の上板７に穿設する孔１２の直径を０．５ｍｍ又は１０ｍｍとし、摩擦撹拌接合に際してのツールの回転数を３５０〜３０００（ｒｐｍ）、ツールの送り速度を１〜６０（ｍｍ／ｍｉｎ．）とし、その他の条件は実施例１に準じるものとした。その上で実施例と同様にブロー成形機１内で熱間ブロー成形を行い中空一体成形品１３の製造を試みた。その結果、比較例１では中空部１４は形成されず、比較例２乃至５では接合部１０で破断が発生し、そして比較例６ではばりの発生が激しく、満足な中空一体成形品１３を得ることはできなかった。

本願発明は、熱間ブロー成形による中空一体成形品の製造において広く適用することができる。

本願発明の熱間ブロー成形用成形材を成形する熱間ブロー成形機の構成を示す模式図である。 本願発明の熱間ブロー成形用成形材の、（イ）は平面図、（ロ）は底面図、及び（ハ）は（イ）のＡ−Ａ断面拡大図である。 本願発明の熱間ブロー成形用成形材から中空一体成形品へ至る製造工程を示す模式図である。

符号の説明

１ 熱間ブロー成形機
２ オス型金型
３ 吹出口
４ メス型金型
５ （メス型金型の）開口部
６ 熱間ブロー成形用成形材
７ 上板（超塑性金属板）
８ 下板（超塑性金属板）
９ 非接合部
１０ 周縁部
１１ 接合部
１２ 孔
１３ 中空一体成形品
１４ 中空部

Claims (4)

1. 複数の超塑性金属板を積層し、内部に密閉した非接合部を形成するように周縁部を封止した上で、積層する超塑性金属板同士を摩擦撹拌接合により一体に線接合して形成する接合部によって非接合部を区画するとともに、一面側の超塑性金属板に、接合部により区画された各々の非接合部内に連通する孔を穿設していることを特徴とする熱間ブロー成形用成形材。
2. 上記一面側の超塑性金属板に穿設する孔の総断面積に対する熱間ブロー成形に使用されるメス型金型の開口部の面積比を２０以上、１０００００以下とすることを特徴とする請求項１記載の熱間ブロー成形用成形材。
3. 上記成形材内部に形成される非接合部を区画する接合部を形成する積層した超塑性金属板同士の摩擦撹拌接合において、ツールの回転数（ｒｐｍ）／ツールの送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ．）の値を３．５以上、５０以下とすることを特徴とする請求項１又は２記載の熱間ブロー成形用成形材。
4. 上記超塑性金属板において、ＪＩＳ ５０８３Ａｌ合金板とすることを特徴とする請求項１乃至３記載の熱間ブロー成形用成形材。

Images